エンジニアが建築構造用の頑丈なガラスブロックを 3D プリント | MIT ニュース

もし建築資材がレゴブロックのように簡単に組み立てられ、解体できたらどうなるでしょうか? このような再構成可能な石積みは、建物の寿命が尽きると解体され、新しい構造物に再組み立てされます。これは、同じ物理的な建築ブロックを使用して何世代にもわたって建物を供給できる持続可能なサイクルです。

これが循環型建築の考え方です。循環型建築は、可能な限り建物の資材を再利用および転用し、新しい資材の製造を最小限に抑え、建設業界の「組み込み炭素」を削減することを目指しています。組み込み炭素とは、製造から解体まで、建物の建設におけるすべてのプロセスに関連する温室効果ガスの排出を指します。

現在、MIT のエンジニアたちは、循環型建築のエコな可能性に刺激を受け、3D プリントされたリサイクルガラスから作られた新しい種類の再構成可能な石積みを開発しています。MIT のスピンオフ企業である Evenline が提供するカスタム 3D ガラス プリント技術を使用して、チームは、レゴ ブロックのように連結するように設計された、それぞれが 8 の字型をした強力な多層ガラス ブロックを作成しました。

機械試験では、ガラスブロック 1 個でコンクリートブロックと同等の圧力に耐えました。研究者らは構造のデモンストレーションとして、連結したガラスブロックの壁を構築しました。研究者らは、3D プリント可能なガラスブロックが、建物のファサードや内壁用のリサイクル可能なレンガとして何度も再利用できると考えています。

「ガラスはリサイクル性の高い素材です」とMIT機械工学助教授のケイトリン・ベッカー氏は言う。「私たちはガラスを石材に変えています。石材は、構造物の寿命が尽きたら解体して新しい構造物に組み立て直したり、プリンターに再び貼り付けてまったく異なる形に変えたりすることができます。これらすべてが、持続可能な循環型建築材料という私たちのアイデアにつながっています。」

「構造材料としてのガラスは、ある意味、人々の脳を少し破壊します」と、MITの元大学院生で、MITメディアラボとリンカーン研究所の両方で研究員を務め、Evenlineの創設者兼ディレクターでもあるマイケル・スターンは言う。「私たちは、これが建築の分野でこれまで行われてきたことの限界を押し広げる機会であることを示しています。」

ベッカーとスターンは同僚とともに、ガラスレンガのデザインを詳細に説明した。 本日ジャーナルに掲載された研究 ガラス構造とエンジニアリングMITの共著者には、主著者のダニエル・マッシミノ氏とシャーロット・フォリナス氏、そしてEvenlineのイーサン・タウンゼント氏が含まれています。

ロックステップ

新しい円形の石積みデザインのインスピレーションは、MITのガラス研究所で生まれた部分もある。当時学部生だったベッカー氏とスターン氏は、そこで初めて吹きガラスの技術と科学を学んだ。

「この素材は魅力的だと思いました」とスターンは言う。彼は後に、リサイクルされた溶融ガラスを印刷できる 3D プリンターを設計した。このプロジェクトは、機械工学科在学中に取り組んだものだった。「ガラス印刷がどのような位置を占め、興味深いことをできるかを考え始めました。建設業はその 1 つの可能性です。」

一方、MIT の教授職に就いたベッカー氏は、製造とデザインの交差点、そして革新的なデザインを可能にする新しいプロセスを開発する方法を模索し始めました。

「ガラスやその光学特性、リサイクル性など、興味深い特性を持つ難しい素材の設計と製造のスペースを拡大することにワクワクしています」とベッカー氏は言う。「汚染されていない限り、ガラスはほぼ無限にリサイクルできます。」

彼女とスターンはチームを組み、3D プリント可能なガラスを従来のレンガと同じくらい頑丈で積み重ね可能な構造用石積みユニットにできるかどうか、またその方法を調べました。この新しい研究のために、チームは Evenline のガラス プリンターの最新バージョンである Glass 3D Printer 3 (G3DP3) を使用しました。このプリンターは炉と連動して粉砕したガラス瓶を溶かして印刷可能な溶融物にし、プリンターがそれを層状のパターンに堆積させます。

チームは、ガラス吹き工房でよく使われるソーダ石灰ガラスを使ってガラスブロックのプロトタイプを印刷しました。印刷した各ブロックに、レゴブロックのスタッドに似た 2 つの丸いペグを組み込みました。おもちゃのブロックと同様に、ペグによってブロックが連結され、より大きな構造に組み立てられます。ブロックの間には別の素材が配置されており、ガラス表面の傷やひび割れを防ぎますが、ブロック構造を解体してリサイクルする場合は取り外すことができます。また、プリンターでブロックを再度溶かして新しい形にすることもできます。チームはブロックを 8 の字型にすることに決めました。

「8の字型にすることで、レンガを拘束しながらも、ある程度の曲率を持つ壁に組み立てることができます」とマッシミノ氏は言う。

飛び石

研究チームはガラスのレンガを印刷し、レンガが割れ始めるまで圧縮する工業用油圧プレスで機械的強度をテストしました。研究者は、最も強いレンガはコンクリートブロックが耐えられる圧力に匹敵する圧力に耐えられることを発見しました。これらの最も強いレンガは主に印刷ガラスで作られており、レンガの底に取り付けられた連結機能は別途製造されていました。これらの結果は、石積みレンガの大部分は印刷ガラスで作られ、連結機能は印刷、鋳造、または別の材料から別途製造できる可能性があることを示唆しています。

「ガラスは扱いが難しい素材です」とベッカー氏は言う。「この段階では、異なる素材で作られた連結要素が最も有望だとわかりました。」

同グループは、レンガの連結部分を印刷ガラスで作れないか検討しているが、デザインの拡大を進める上でこれが決定的な障害になるとは考えていない。ガラスの組積造の可能性を示すために、彼らは連結ガラスレンガで曲面の壁を作った。次に、彼らは徐々に大きく、自立型のガラス構造物を作ることを目指している。

「私たちは、この素材の限界と、その拡大方法についてより深く理解しています」とスターンは言う。「私たちは、建物への足がかりを考えています。まずはパビリオンのようなものから始めたいと思っています。つまり、人間が触れることができ、その後、2 番目のデザインに再構成できる一時的な構造物です。そして、これらのブロックが何度も使用されることも想像できます。」

この研究は、Bose Research Grant Program および MIT の研究支援委員会によって部分的に支援されました。